航空轉(zhuǎn)臺(tái)通用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

常碩，鄧日棉，王紅，稂芳連

（國營長虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541003）

1 前言

某航空維修廠僅一個(gè)部門就擁有自動(dòng)化測試轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備10 余套，是檢修航空裝備必不可少的測試設(shè)備，幾乎動(dòng)態(tài)測試的部件都需要用到此設(shè)備，使用頻次極高。鑒于多型轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備使用年限較長，電子設(shè)備有其通電使用壽命，故障率逐年提高，設(shè)備維修較為困難，人員配比轉(zhuǎn)換困難，影響檢測進(jìn)度；且動(dòng)態(tài)測試的產(chǎn)品都須配有相應(yīng)的控制設(shè)備，出現(xiàn)設(shè)備繁雜情況，造成設(shè)備利用率低、占用空間大；轉(zhuǎn)臺(tái)控制設(shè)備根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部電機(jī)功率大小及各軸慣性比，都會(huì)配有較大電源，價(jià)格昂貴，造成資源浪費(fèi)。

針對(duì)上述問題，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)通用控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，突破轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)壁壘，研制轉(zhuǎn)臺(tái)通用控制系統(tǒng)。通過擬合現(xiàn)有轉(zhuǎn)臺(tái)控制設(shè)備共同之處，將轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行空間三維劃分，根據(jù)俯仰、航向、滾轉(zhuǎn)三種方位軸，按類型將轉(zhuǎn)臺(tái)劃分為單軸、雙軸、三軸三大類；根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型，按供電方式將轉(zhuǎn)臺(tái)劃分直流轉(zhuǎn)臺(tái)與交流轉(zhuǎn)臺(tái)兩大類；根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部測角元件類型，按照測角元件點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行測角元件選型，不同點(diǎn)數(shù)代表不同測角元件。通過將軟件進(jìn)行模塊劃分，設(shè)計(jì)不同方位軸、不同供電方式、不同編碼器點(diǎn)數(shù)三種組合選型方式，涵蓋空間三維坐標(biāo)體系，采用雙閉環(huán)從屬控制結(jié)構(gòu)運(yùn)行方式，進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)通用控制系統(tǒng)總體方案

2.1 硬件總體方案

轉(zhuǎn)臺(tái)通用控制系統(tǒng)硬件設(shè)備一般包括底層下位機(jī)測算板件、各軸驅(qū)動(dòng)控制器、上位機(jī)工控組件、散熱風(fēng)扇組、供電電源及硬件線路；整個(gè)硬件系統(tǒng)分為交直流電源模塊、交直流驅(qū)動(dòng)模塊、下位機(jī)控制模塊、上位機(jī)顯示模塊、散熱模塊等。考慮電機(jī)功率及各軸慣性比，需配套選用可調(diào)節(jié)的電源及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)位置反饋元件反饋出的電脈沖信號(hào)，此通用系統(tǒng)下位機(jī)選用DSP+FPGA 組合控制模塊進(jìn)行位置、速度解算；根據(jù)反饋速度、冗余度、兼容性等，選用神州飛航多路通信板卡及DA 轉(zhuǎn)換板卡。

通用設(shè)備以灰色減震機(jī)箱為框架，由可編程直流程控電源、可編程交流程控電源、神州飛航PXI 工控機(jī)、顯示器一體化設(shè)備、Elmo 交直流驅(qū)動(dòng)器和測試電纜組成，其中PXI 工控機(jī)中包含串口通訊板卡、DA 板卡及數(shù)字I/O 板卡等通用板卡。控制設(shè)備機(jī)箱整體由金屬結(jié)構(gòu)制成，使之成為一個(gè)完整的電磁屏蔽系統(tǒng)，且在驅(qū)動(dòng)器的輸入輸出都加上電磁濾波器，保證系統(tǒng)的電磁兼容性；整個(gè)設(shè)備均采用成熟模塊化裝置，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性；整個(gè)設(shè)備每個(gè)用電模塊都經(jīng)過一根接地線，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

2.2 軟件總體方案

通用控制系統(tǒng)主要基于下位機(jī)DSP+FPGA 組合控制模塊解算來自轉(zhuǎn)臺(tái)位置編碼器的電脈沖信號(hào)，并通過D/A轉(zhuǎn)換板卡將控制信號(hào)傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)元件，從而形成閉環(huán)回路控制模型。如圖1 所示控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,轉(zhuǎn)臺(tái)通用控制系統(tǒng)底層程序與上層軟件主要應(yīng)用圖形化設(shè)計(jì)軟件Labview 實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)分為硬件通用控制平臺(tái)與軟件通用控制程序，可以控制多型測試轉(zhuǎn)臺(tái)，通過選擇轉(zhuǎn)臺(tái)類型、電機(jī)類型、編碼器點(diǎn)數(shù)精確到具體轉(zhuǎn)臺(tái)。下位機(jī)平臺(tái)分為數(shù)據(jù)處理模塊、位置跟蹤模塊、速率校準(zhǔn)模塊；上位機(jī)界面設(shè)有綜合控制區(qū)、單軸控制區(qū)、角位置速率顯示區(qū)、波形顯示區(qū)。軟件系統(tǒng)由上下位機(jī)共同作用完成，可實(shí)現(xiàn)控制三個(gè)軸、任意兩個(gè)軸或任意一個(gè)軸位置和速率等功能。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)臺(tái)的精度控制基于誤差控制理論，上位機(jī)給出的指令值與轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際的反饋值之間的差值為誤差，系統(tǒng)的精度目標(biāo)就是使這個(gè)誤差等于零，達(dá)到指令值等于反饋值。該誤差經(jīng)過控制算法計(jì)算產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字電壓值，通過DA 轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)給定的電壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)各軸的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。利用MATLAB 仿真環(huán)境，建立仿真模型，搭建算法控制器，通過算法不斷計(jì)算，推導(dǎo)出最優(yōu)的參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的精確控制。

3 通用控制系統(tǒng)原理分析

3.1 通用控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

通用控制系統(tǒng)主要由電流環(huán)閉合回路與位置環(huán)閉合回路形成整體控制回路，用于保證系統(tǒng)的精度、降低電源紋波造成的浪涌電壓、保證控制力矩的線性度、降低電機(jī)過流產(chǎn)生的影響。如圖2 所示控制回路，其中電流環(huán)作為一級(jí)控制，可以近看成外加電流源，位置環(huán)作為整個(gè)系統(tǒng)的二級(jí)控制，決定著整個(gè)系統(tǒng)的控制精度。前饋環(huán)節(jié)，主要是彌補(bǔ)一、二級(jí)控制結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，隨著閉環(huán)回路的增加，整個(gè)閉環(huán)回路的輸入信號(hào)傳遞速度逐漸變慢，尤其在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下位置不斷變化時(shí)，動(dòng)態(tài)誤差會(huì)逐漸增大，加入前饋環(huán)節(jié)就變得尤為重要，可以通過綜合控制使系統(tǒng)在具備穩(wěn)定性的同時(shí)保證系統(tǒng)的精度。

圖2 控制回路

通用控制系統(tǒng)采用電流環(huán)與位置環(huán)形成的雙閉環(huán)從屬結(jié)構(gòu)，通過DA 轉(zhuǎn)換卡控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入。轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械臺(tái)體通過角位置編碼器將轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)的位置信號(hào)傳遞給DSP+FPGA 解算模塊，控制系統(tǒng)在采用相應(yīng)的控制算法來精確控制轉(zhuǎn)臺(tái)，這就形成了系統(tǒng)的位置環(huán)。位置環(huán)作為系統(tǒng)的主反饋環(huán)，主要用于保證系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)的電流環(huán)是通過驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，電流環(huán)造成電樞電流負(fù)反饋，目的是減小電源電壓的波動(dòng)影響，增加控制電機(jī)力矩的線性度，同時(shí)，也可以起到預(yù)防功率轉(zhuǎn)換電路和電機(jī)過流的作用，整個(gè)復(fù)合型環(huán)路結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)精度高、動(dòng)態(tài)線性好的特點(diǎn)。

3.2 通用控制系統(tǒng)控制規(guī)律

控制系統(tǒng)采用數(shù)字PID 控制算法，此控制算法是控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛的一種技術(shù)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型調(diào)節(jié)固化模型參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的精度控制。由于轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)超調(diào)量較大，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定，減小系統(tǒng)超調(diào)量，采用積分分離的PID 控制算法，其中KP部分為比例調(diào)節(jié)、Ki部分為積分調(diào)節(jié)、Kd部分為微分調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)采用位置式算法，積分與微分由數(shù)值積分與差分算法來實(shí)現(xiàn)，采用后向矩形積分與后向差分，算法公式如下：

如圖3 所示數(shù)字PID 控制器原理圖，采用位置控制為主，速度控制為輔的控制方式，積分增益用來消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分增益提供穩(wěn)定系統(tǒng)阻尼，而速度前饋增益減少阻尼帶來的跟隨誤差，加速度前饋減少系統(tǒng)慣性帶來的跟隨誤差。系統(tǒng)應(yīng)用MATLAB 軟件里面的SIMULINK進(jìn)行仿真算法研究，轉(zhuǎn)臺(tái)的位置控制仿真系統(tǒng)主要由信號(hào)模塊、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊、控制器模塊、傳遞函數(shù)模塊和輸出模塊組成，以此進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)適，留存每臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)的最優(yōu)搭配參數(shù)，實(shí)現(xiàn)比例、積分與微分的控制。系統(tǒng)采用復(fù)合控制方式，用于減少電機(jī)、軸承等帶來的摩擦力矩、減小磁滯力矩造成的靜差、抵消對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，該系統(tǒng)由PID 控制器構(gòu)成的位置環(huán)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成電流環(huán)、位置反饋元件反饋信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成本伺服系統(tǒng)多環(huán)路結(jié)構(gòu)，提高環(huán)路控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性和動(dòng)態(tài)特性。

圖3 數(shù)字PID 控制器原理圖

4 通用控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件程序采用雙模塊編寫模式，將程序分為調(diào)試和控制兩部分，如圖4 通用轉(zhuǎn)臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)框圖，調(diào)試程序主要用于對(duì)不同轉(zhuǎn)臺(tái)PID 參數(shù)的調(diào)試并形成參數(shù)包燒寫到下位機(jī)DSP+FPGA 組合控制模塊中，控制程序主要是通過人機(jī)交互及遠(yuǎn)程受控的方式接收命令輸入，通過解算將控制信號(hào)輸出到硬件通用控制平臺(tái)的控制器，控制器控制電機(jī)完成位置、速度、模式等功能，從而實(shí)現(xiàn)航空轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)通用控制功能。控制系統(tǒng)是轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制功能并最終達(dá)到技術(shù)性能指標(biāo)的重要組成部分，系統(tǒng)軟件是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度控制的最重要一環(huán)，因此，調(diào)試程序與控制程序在控制系統(tǒng)中就變得尤為重要，如何配合好調(diào)試程序與控制程序之間的連接也變得尤為重要。

圖4 通用轉(zhuǎn)臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)框圖

調(diào)試程序通過對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定，根據(jù)改進(jìn)的PID 控制算法調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過定點(diǎn)試驗(yàn)方法分別找出最合理的KP 與KI 數(shù)值,通過擬合得到最完美的算法模型，調(diào)試過程通常采用一個(gè)參數(shù)不變調(diào)試另一個(gè)參數(shù)的辦法，不斷根據(jù)測試狀態(tài)縮小KP 與KI 的數(shù)值，且每臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)每軸都需要提前進(jìn)行大量的調(diào)試，調(diào)試出固定參數(shù)，將得到的數(shù)學(xué)參數(shù)燒寫到下位機(jī)DSP+FPGA 組合控制模塊。控制程序根據(jù)已經(jīng)固定的數(shù)學(xué)參數(shù)模型，通過DSP+FPGA 組合控制模塊對(duì)控制系統(tǒng)執(zhí)行元件輸送特定的命令，并通過DA 轉(zhuǎn)換卡將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，此信號(hào)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入，控制著電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)相應(yīng)的電機(jī)進(jìn)行指令控制，控制轉(zhuǎn)臺(tái)按照控制程序給出的控制指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的速度、位置、模式、狀態(tài)寫入的功能，此前根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)的差異性選擇不同的轉(zhuǎn)臺(tái)，同時(shí)，程序也會(huì)進(jìn)行判讀是否轉(zhuǎn)臺(tái)選擇正確，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)分析出問題所在，給出錯(cuò)誤提示，及時(shí)進(jìn)行位置制動(dòng)，防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)飛車現(xiàn)象。對(duì)此通過選擇不同的轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)來控制相應(yīng)的轉(zhuǎn)臺(tái)，達(dá)到控制系統(tǒng)的通用控制功能，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的通用化。

4.2 軟件功能及實(shí)現(xiàn)方法

4.2.1 調(diào)試程序及控制程序

調(diào)試程序主要是對(duì)控制系統(tǒng)的位置環(huán)、電流環(huán)及速度環(huán)進(jìn)行參數(shù)整定，電流環(huán)整定參數(shù)是先設(shè)置期望的帶寬和相位裕度，設(shè)置的編譯程序會(huì)自動(dòng)地整定控制參數(shù)。編譯程序首先根據(jù)傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)自動(dòng)辨識(shí)實(shí)時(shí)位置及速度，再根據(jù)Fast 模式進(jìn)行掃頻，掃頻結(jié)束后，進(jìn)行前饋環(huán)節(jié)的位置控制。控制程序通過BST23208 串行儀器控制板卡對(duì)串口信息進(jìn)行發(fā)送、回采、解析，得到相應(yīng)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制、狀態(tài)信息。由于轉(zhuǎn)臺(tái)各軸運(yùn)行位置需要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，信息傳輸速度快、數(shù)據(jù)郵包數(shù)據(jù)量龐大，實(shí)時(shí)性要求高，故采用多線程技術(shù)將實(shí)時(shí)通訊子VI 放置程序后臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行，提高主程序的運(yùn)行效率。

控制程序則保持控件的觸發(fā)，對(duì)控件狀態(tài)進(jìn)行判讀，讀取對(duì)應(yīng)的輸入信息，進(jìn)入程序判讀部分，甄別出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)臺(tái)控制參數(shù)，包括轉(zhuǎn)臺(tái)軸數(shù)、電機(jī)電源類型、位置編碼器點(diǎn)數(shù)等信息，同時(shí)讀取速度、位置和模式的要求對(duì)DSP+FPGA 組合控制模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令，DSP+FPGA 組合控制模塊在收到指令后根據(jù)調(diào)試程序調(diào)試出來的參數(shù)包作為條件對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)不同狀態(tài)要求的控制。此外，控制程序還會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行波形顯示，可以更直觀地了解到轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行順滑度，當(dāng)波形出現(xiàn)跳變時(shí)，需對(duì)固定數(shù)學(xué)模型進(jìn)行重新調(diào)試，調(diào)試成功后重新燒寫固化參數(shù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性。

4.2.2 控制模塊設(shè)計(jì)

調(diào)試程序的調(diào)試界面主要包括電機(jī)選型、編碼器選型、電流整定、速度及位置整定，整定后與控制軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)。進(jìn)行完電機(jī)及編碼器選型后，進(jìn)行電流、位置、速度參數(shù)整定，不斷地進(jìn)行參數(shù)調(diào)試。轉(zhuǎn)臺(tái)每軸均有電機(jī)1 ～2 臺(tái)，控制多型號(hào)轉(zhuǎn)臺(tái)需了解每臺(tái)電機(jī)的工作參數(shù)：供電類型、供電電壓、額定電流、峰值電流、反饋形式、極對(duì)數(shù)、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速等，確定電機(jī)參數(shù)后，需研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與多型號(hào)電機(jī)匹配度，分析驅(qū)動(dòng)器供電形式、供電承受能力、信號(hào)傳輸定義、通訊協(xié)議等，選擇可驅(qū)動(dòng)多類型電機(jī)的通用驅(qū)動(dòng)器。控制軟件采用主控制界面和反饋界面同時(shí)顯示的形式，其中控制界面包括各軸臺(tái)位置、速率、置零、使能、失能等功能的輸入和選擇；反饋界面主要是實(shí)時(shí)反饋各軸轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)位置。

如圖5 通用轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)界面圖，根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)的類型單擊分別選擇轉(zhuǎn)臺(tái)軸數(shù)、電機(jī)電源類型、位置編碼器點(diǎn)數(shù)，然后點(diǎn)擊打開通訊。

圖5 通用轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)界面圖

通訊成功后，實(shí)時(shí)反饋界面會(huì)發(fā)生變化并實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)當(dāng)前的狀態(tài)曲線，輸入控制的位置和速率信息后，點(diǎn)擊使能，如使能成功則狀態(tài)會(huì)有一定剛性地進(jìn)行鎖定。此時(shí)，點(diǎn)擊運(yùn)行則轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)根據(jù)控制信息以一定的速度運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)的位置。并實(shí)時(shí)形成運(yùn)動(dòng)曲線，如中途需停止，需點(diǎn)擊中止按鈕停下狀態(tài)。此外，轉(zhuǎn)臺(tái)在失能狀態(tài)時(shí)可點(diǎn)擊置零按鈕，使轉(zhuǎn)臺(tái)以當(dāng)前位置作為零位參考點(diǎn)。 ※

5 結(jié)語

通過將通用控制系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)體選型、電機(jī)選型、編碼器選型區(qū)分出控制臺(tái)體類型；通過將通用控制系統(tǒng)進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)任意一軸單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)、任意兩軸運(yùn)轉(zhuǎn)及三軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多軸精確定點(diǎn)控制；通過給出任意一軸目標(biāo)位置及目標(biāo)速度，實(shí)現(xiàn)臺(tái)體定速、定點(diǎn)運(yùn)行。航空轉(zhuǎn)臺(tái)通用控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與控制雙模塊聯(lián)合調(diào)試，調(diào)試模塊進(jìn)行主要的參數(shù)整定與數(shù)學(xué)擬合；控制模塊進(jìn)行具體的目標(biāo)速度、目標(biāo)位置設(shè)定及界面顯示。同時(shí)，通用控制系統(tǒng)的上電與斷電保護(hù)、防飛車制動(dòng)保護(hù)、軟件保護(hù)和電磁兼容保護(hù)保證了系統(tǒng)的安全性，硬件與軟件的穩(wěn)定決定了通用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。